Taquikininas placentarias

La placenta es un órgano endocrino que secreta hormonas peptídicas durante el embarazo. A diferencia de otros tejidos endocrino, la secreción de la placenta es constitutiva: la síntesis y liberación de cada hormona peptídica  es controlada a nivel de la transcripción. En circunstancias normales, las hormonas peptídicas generalmente tiene vida media corta (<10 minutos) en la circulación. Esto podría significar una considerable carga metabólica para la placenta para mantener concentraciones sanguíneas significativas  de cada péptido a través del embarazo. Sin embargo, es conocido que muchas hormonas peptídicas placentarias  llevan a cabo una modificación post-translacional (MPT) que contiene fosfocolina (FC) que puede alargar la vida media del péptido. La proteína C reactiva (PCR), una proteína de fase aguda que se une fuertemente a FC, es secretada normalmente por el hígado como un pentámero estable en respuesta a una infección microbiana o a una enfermedad autoinmune. Las concentraciones sanguíneas de PCR son elevadas en el embarazo, particularmente en la preeclampsia y la placenta ha sido recientemente identificada como fuente de PCR. Dado que la vida media de la PCR en la circulación es de 19 horas aproximadamente, su unión a cualquier péptido placentario fosfocolinado podría provocar un incremento sustancial  en la vida media del péptido, acompañado por un incremento en la bioactividad debido a su capacidad para agrupar sus respectivos receptores en pentámeros.

   Las taquikininas son una familia  de péptidos biológicamente activos que se distinguen por contener el dominio  C-terminal común: Fen-X-Gli-Leu-Met-amida. En los humanos, hay cuatro miembros de la familia taquikinina: sustancia P (SP), endokinina (EKA/B, también conocida como hemokinina), neurokinina A (NKA) y neurokinina B (NKB). Estos péptidos actúan a través de tres receptores (NK1-3R) acoplados a proteína G. La SP y la EKA/B tienen la misma secuencia hexapeptídica (Gln, Fen-Fen-Gli-Leu-Met-amida) en su C-terminal y tienen preferencia por el NK1R. La NKA  tiene preferencia por el NK2R y la NKB por el NK3R. Los receptores  NK1R y NK2R se encuentran en el cerebro y en la periferia, pero el NK3R se encuentra principalmente en la periferia. Las taquikininas, como ejemplo de péptidos biológicamente activos, son únicas en ser expresadas en los sistemas nervioso, inmune y endocrino y están involucradas en la regulación de diversos procesos fisiológicos y patológicos. Las taquikininas NKB y EKB se encuentran en la placenta.

   El primer gen taquikinina identificado en la placenta fue el TAC3 que codifica al precursor de la NKB. El decapéptido NKB ha sido detectado  en la placenta humana  y en la sangre de mujeres embarazadas. Elevadas concentraciones del péptido en el rango nanomolar se encuentran en la sangre de mujeres que sufren preeclampsia. En embarazadas sanas, la estimulación normal  de NK3R periféricos puede causar  un modesto incremento en la frecuencia cardiaca, contracción de la vena porta hepática y de vasos sanguíneos mesentéricos. Esto podría alterar la circulación sanguínea de otros órganos maternos como el útero. La placenta pobremente implantada que se observa en la preeclampsia responde hipersecretando NKB con sobre estimulación de NK3R que resulta en hipertensión arterial. La NKB también causa edema en pulmón e hígado similar al que se observa en la preeclampsia. Sin embargo, la NKB placentaria no reacciona con algunos anticuerpos contra la forma cerebral natural del péptido y el análisis de espectrometría de masa revela que tiene  mayor masa  y una MPT que contiene FC. El análisis de espectrometría de masa también indica que la MPT consiste en una variante del factor activador de plaquetas adherido por un enlace ester a la cadena lateral del residuo aspartato en la posición 4 del decapéptido NKB. Por otra parte, la evidencia reciente indica que la NKB es solamente un agonista parcial del NK3R y que la MPT fosfocolinada agregada por la placenta la convierte en un agonista completo del NK3R. La enzima fosfocolina transferasa B es expresada únicamente en la placenta de la mujer embarazada donde está asociada con el retículo endoplásmico, el sitio de síntesis del péptido NKB. La NKB no es el único péptido placentario con una MPT fosfocolinada. En la rata, los péptidos/proteínas placentarios hormona liberadora de corticotropina (CRH), pro-activina, folistatina y pro-hemokinina (endokinina), entre otros,  también presentan esta MPT, lo cual sugiere que tal MPT representa un mecanismo fundamental que regula la longevidad de hormonas peptídicas en la sangre y potencialmente modula su actividad biológica.

   La PCR es sintetizada en el hígado, se une fuertemente a FC y sus concentraciones sanguíneas son muy bajas en individuos sanos. Los niveles de PCR aumentan rápidamente en respuesta a la inflamación por infección bacteriana o por daño tisular.  La estructura de la PCR presenta cinco protomeros  formados en un pentámero estable, cada protomero tiene cinco sitios de unión para FC. La PCR circula  como pentámero y se une a la FC en la superficie de los microbios, la agregación resultante inicia la respuesta inmune. Elevadas concentraciones de PCR también se encuentran en la sangre de mujeres embarazadas, especialmente en la preeclampsia, con la placenta como fuente principal donde es sintetizada en el sincitiotrofoblasto. La acción coordinada de PCR y NKB–FC causa los síntomas de la preeclampsia. La simple unión  de la NKB-FC a la PCR podría resultar en un significativo incremento en la vida media de la taquikinina  placentaria de unos pocos minutos a varias horas, lo cual permite a la placenta mantener concentraciones sanguíneas significativas de NKB con una tasa de secreción relativamente baja. La unión de NKB-FC a la PCR podría también prevenir la endocitosis del NK3R y por consiguiente aumentar su potencia. En un embarazo normal, las bajas concentraciones de PCR unida a NKB-FC en NK3R periféricos resultan en una débil agrupación de NK3R en pentámeros en corazón, vena porta hepática y vasos mesentéricos provocando cambios en los vasos sanguíneos de la madre que benefician  al útero y la placenta. La sobre secreción de NKB-FC y PCR por alguna alteración placentaria podría provocar la sobre estimulación  y el agrupamiento de NK3R, lo cual podría originar los síntomas de la preeclampsia. La observación que la inhibición de la síntesis de fosfocolina transferasa placentaria y/o el bloqueo  de NK3R reduce la severidad  de los síntomas de la preeclampsia en ratas embarazadas tratadas con PCR, proporciona un considerable soporte  a esta hipótesis. 

   Aunque el gen para SP no es expresado en la placenta humana, el gen TAC4 que codifica a la EKA/B, el mayor agonista de NK1R, si es expresado. Hay cuatro variantes  del gen TAC4: α-TAC4, β-TAC4, γ-TAC4 y δ-TAC4, las cuales son expresadas en muchos tejidos del cuerpo. Las variantes γ-TAC4 y δ-TAC4 son altamente expresadas en la placenta. El péptido precursor pro-endokinina es inusual porque no contiene la clásica doble secuencia básica  del péptido taquikinina. Por lo tanto, la pro-endokinina más que  ser procesada a un péptido de 11 o 10  residuos como la sustancia P y la NKB, da origen a la endokinina que tiene una larga extensión N-terminal. La variante α-TAC puede dar origen al péptido EKA. Las variantes β, γ y δ-TAC podrían provocar la secreción del péptido EKB. La EKA contiene seis residuos extra insertados entre Trp¹⁵ /Glu¹⁶ con el resto de la secuencia igual a la de EKB. En EKA y EKB, la posición arginina (37 en EKA y 31 en EKB) ha sido sustituida por treonina que automáticamente remueve el doble sitio básico que presentan los precursores de  SP, NKA y NKB. La EKB de la placenta humana también es fosfocolinada  y es un péptido más  largo que la NKB placentaria. La extensión N-terminal  podría incrementar la potencia  de EKB en el NK1R. La endokinina humana tiene un residuo aspartato (el aminoácido con la MPT adherida en la NKB placentaria) en su extremo N-terminal para la potencial adherencia  de la MPT que contiene FC por la placenta. Como ocurre con la NKB-FC, la unión EKB-FC-PCR podría incrementar significativamente su vida media en la circulación y resultar en el agrupamiento de su receptor preferido, el NK1R.

   Aunque la NKB fue originalmente propuesta como la taquikinina secretada por la placenta que podría causar vasodilatación local vía NK1R, la EKB es claramente un candidato más confiable. La EKB-FC  en unión con la PCR placentaria podría incrementar su vida media de minutos a varias horas y también provocar el agrupamiento de receptores NK1R que podría ser el estímulo para la neovascularización en la placenta y el útero, la cual es vital para la difusión eficiente de gases, nutrientes y productos de desecho durante el embarazo. Las taquikininas fosfocolinadas de la placenta formando complejo con la PCR, estimulan receptores NK1R y NK3R y podrían ser responsables de los cambios beneficiosos en el flujo sanguíneo periférico en un embarazo saludable. Esto involucra al gasto cardiaco, la “compliance” arterial, un incremento en el flujo plasmático renal y una reducción en la resistencia vascular y la presión arterial. Estas alteraciones comienzan  después de la concepción y persisten durante la gestación con un pico en el segundo trimestre del embarazo.

   La administración sistémica de sustancia P, agonista NK1R, en animales de experimentación causa emesis y su aplicación tópica en el área postrema (la parte de la médula oblongada debajo de la barrera hemato-encefálica) induce actividad neuronal. Aunque el gen TAC1/sustancia P no es expresado en la placenta humana, la potente actividad de la PCR unida a EKB-FC, liberada por la placenta agrupa a los NK1R en el área postrema  y podría proporcionar una explicación para la relación  entre una placenta sana  y la emesis del embarazo. En efecto, un estudio reciente demuestra que las mujeres que experimentan náuseas en la mañana tienen un embarazo saludable, lo cual sugiere que la viabilidad de la placenta está relacionada con la emesis. Por otra parte, las mujeres que no experimentan emesis durante el embarazo, presumiblemente  debido a una reducción de la sensibilidad de los NK1R en su cerebro, tiene una mejor tolerancia a la quimioterapia para el tratamiento del cáncer más tarde en la vida.  La excesiva salivación  durante el embarazo (ptialismo gravidarum) que invariablemente  acompaña a la hiperémesis gravidarum proporciona evidencia de la secreción  de EKB por la placenta. La acción sialogógica  de la sustancia P fue reconocida hace 50 años, cuando un péptido con esta actividad fue aislado en el hipotálamo. El péptido tenía la misma composición de aminoácidos  de la sustancia P aislada  en el intestino. Estudios farmacológicos más recientes  han confirmado que la salivación  es mediada a través del  NK1R.

   Los humanos y los animales generalmente tratan de escapar  del humo cuya inhalación induce náuseas. Esta es probablemente la razón por la que muchas personas evitan exponerse a -o inhalar- el humo del cigarro. Ellas tienen NK1R sensibles en  su área postrema y su estimulación provoca náuseas. Entonces, la EKB liberada por los pulmones  en la circulación durante la inhalación de humo del cigarro estimula NK1R en el área postrema que inicia las náuseas. En un estudio reciente, la concentración  de EKB aumentó 30 veces en sujetos no fumadores después de la inhalación del humo del cigarrillo y se mantuvo elevada hasta dos horas después cuando el sujeto aún tenía náuseas. ¿Por qué algunos individuos  pueden inhalar el humo del cigarrillo sin experimentar náuseas? Esto puede deberse a una regulación a la baja de los NK1R o a insensibilidad natural  de los mismos receptores mientras simultáneamente  se vuelven adictos a la nicotina. Es bien conocido que las mujeres fumadoras durante el embarazo desarrollan una considerable protección contra las náuseas matinales y la preeclampsia, lo cual sugiere que los receptores NK1 y NK3  son regulados a la baja y desensibilizados, respectivamente. Los vómitos y las náuseas inducidas por quimioterapia son también menores en las personas fumadoras. Los hijos de mujeres fumadoras durante el embarazo sufren retardo en el crecimiento pre y postnatal, mayor riesgo de morbilidad  placentaria y anomalías conductuales. El pobre desarrollo placentario puede ser debido a la EKB liberada por los pulmones durante el fumado, la desrregulación de los NK1R o el desplazamiento de la EKB-FC  de los NK1R  placentarios/uterinos que previene la acción coordinada  de PCR/EKB-FC y el agrupamiento los NK1R en pentámeros, eventos necesarios para la estimulación de la neovascularización  y una placenta saludable. Es posible también que la alta concentración de endokinina pulmonar en la sangre uterina altere el gradiente de concentración de endokinina placentaria necesario para el correcto crecimiento direccional de las arterias espirales que asegura el eficiente intercambio  de nutrientes, gases y productos de desecho en la interfase placenta/útero.

En conclusión, la placenta es fuente de las hormonas peptídicas conocidas como taquikininas y modula la fisiología del embarazo a través de una MPT única de las taquikininas que produce. Esto no solamente extiende las señales hormonales derivadas de la placenta sino que también cambia la naturaleza de sus acciones. Mientras esto parece formar parte de un mecanismo fundamental que controla los cambios fisiológicos requeridos para un embarazo saludable, la sobre actividad de algunas de esas taquikininas subyace a varios de los más frecuentes desórdenes relacionados con el embarazo.

Fuente: Lowry P, Woods R (2018). The placenta controls the physiology of pregnancy by increasing the half-life in blood and receptor activity of its secreted peptide hormones. Journal of Molecular Endocrinology 60: R23-R30.

Hormonas tiroideas y músculo esquelético

El músculo esquelético (ME) representa aproximadamente 40% de la masa del cuerpo humano y  cualquier cambio en su perfil energético tiene efectos importantes sobre la fisiología sistémica.  Por otra parte, el ME es uno de los tejidos involucrados en el gasto de energía y la homeostasis de glucosa y lípidos. En el ME, las hormonas tiroideas (HT –tiroxina o T4 y triyodotironina o T3) participan en la función contráctil, el metabolismo, la miogénesis y la regeneración.  Los niveles circulantes de HT dependen del eje hipotálamo-hipófisis-tiroides (HHT), el cual a su vez, responde a varios cambios en la homeostasis. Además de los niveles circulantes, las concentraciones de HT en ME  dependen de los niveles locales de transportadores de HT, receptores de HT y la actividad desyodasa.

   Las fibras de ME se clasifican de acuerdo con la velocidad de la contracción  y la ruta primaria de producción de ATP en los siguientes tipos: I, IIa, IIb y IIx. El ME presenta fibras puras o fibras híbridas compuestas  por combinaciones  de estos tipos de fibras  que son  reclutados  por diferentes procedimientos según sus características individuales. En general, la contracción sostenida es mediada por fibras tipo I, las cuales son fibras de contracción  lenta, mientras las fibras tipo II desarrollan actividades cortas y son llamadas fibras de contracción rápida. Los metabolismos de las fibras  de contracción lenta y rápida también son diferentes, las fibras lentas son oxidativas y tienen más mitocondrias y mioglobina, mientras las fibras rápidas son más glucolíticas y exhiben más glucógeno y fosfocreatina. La actividad ATPasa es mayor en las fibras rápidas tipo IIb que en las fibras IIa y IIx,  las cuales a su vez tienen mayor actividad ATPasa que las fibras lentas tipo I. Durante la contracción muscular, la tasa de hidrólisis de ATP aumenta en todos los tipos de fibras  proporcionalmente  con la velocidad de producción de ATP de cada tipo de fibra, la cual es mayor en las fibras rápidas que en las fibras lentas. Por otra parte, la tasa de contracción-relajación depende de la regulación de captación y liberación de Ca²⁺ por el retículo sarcoplásmico. Las fibras tipo I presentan un retículo sarcoplásmico pobremente desarrollado en contraste con el retículo sarcoplásmico bien desarrollado en las fibras tipo II independientemente de su contenido de mitocondrias. Adicionalmente, la Ca²⁺-ATPasa del retículo sarcoplásmico tipo 1 (SERCA 1)  está asociada con un almacenamiento de Ca²⁺ más rápido  en comparación con la SERCA2a, las cuales son expresadas en fibras tipo II y I, respectivamente.  Además de la expresión de SERCA, la cadena pesada de miosina (MYH), la proteína motora más abundante  en ME de humanos y roedores, es un importante factor intrínseco determinante de la contracción muscular. Las fibras tipo I  expresan MYH7, las fibras tipo IIa presentan MYH2, las fibras tipo IIx expresan MYH1 y las fibras tipo IIb presentan MYH4.

   La T3 actúa en el ME por medio de  su ruta clásica que se basa en la regulación de la expresión de genes a través de la interacción  de la T3 con los receptores nucleares de HT α (HTRA) y β (HTRB), los cuales interactúan con elementos de respuesta a HT (ERT) en regiones promotoras específicas. Los HTR también actúan como factores de transcripción independientes de ligando. El HTRA  es la principal isoforma presente en el ME. Las HT también tienen efectos de corta duración  en el ME, como por ejemplo la regulación  de la actividad de transportadores de membrana. La T4 estimula rápidamente la actividad de la Na,K-ATPasa en los miotubos, lo cual resulta en un incremento en el potencial de reposo transmembrana y la frecuencia de potenciales de acción. La T3 también modifica la actividad quinasa de p38 y AMPK, las cuales son importantes en la biogénesis mitocondrial en fibras de ME.

   La disponibilidad intracelular de HT es el resultado  del transporte de HT a través de la membrana plasmática y la activación o inactivación local  de T4 y T3. Las HT cruzan la membrana plasmática por difusión facilitada mediada por transportadores de HT. En el ME de humanos y roedores, los transportadores primarios son los  transportadores monocarboxilato MCT10 y MCT8. Por otra parte, la actividad de las yodotironina desyodasas tipo 2 (D2) y tipo 3 (D3) contribuyen al control de los niveles intracelulares de HT. La D2 convierte T4 en T3, lo cual incrementa la disponibilidad y los efectos de la T3. La D3 convierte T4 en T3 reversa (rT3) y T3 en diyodotironina (D2), disminuyendo los efectos nucleares clásicos de la T3. El balance  entre las actividades de D2 y D3 cambia los niveles intramusculares de T3 y por consiguiente afecta la ocupación de HTR. La D2 es expresada constitutivamente  en ME de roedores y humanos y su actividad es mayor  en los músculos de contracción lenta que en los músculos de contracción rápida. El ayuno de corta duración disminuye los niveles circulantes de T3 e incrementa la actividad D2 en ME en sujetos eutiroideos.

   En los estados iniciales del desarrollo postnatal, diferentes estímulos inducen la maduración del ME, la célula muscular pierde inervaciones polineuronales, incrementa la carga mecánica en músculos específicos y aumentan los niveles de HT, simultáneamente. La inervación neuronal y el incremento de HT disparan la transformación  del perfil de fibras musculares, tales como la pérdida de miosina embrionaria y neonatal y un incremento en genes miosina rápida o lenta en músculos específicos.  El desarrollo postnatal de las fibras lentas depende  de la actividad relacionada con el peso  y la estimulación eléctrica, mientras en las fibras rápidas, la señal T3 es crucial, especialmente para la transición de fibras neonatales a fibra IIb. Sin embago, la desnervación de músculos rápidos neonatales no altera el “switch” de miosina neonatal a adulta. Por lo tanto, los niveles fisiológicos  de HT contribuyen a la determinación del patrón normal de distribución de fibras  en cada músculo. La T3 reprime la expresión de MYH7, miosina de fibras tipo I, y estimula la expresión de MYH 2 y MYH4, miosinas de fibras IIa, IIx y IIb, respectivamente, induciendo una contracción muscular más rápida en ratas. Más aún, la T3 estimula la conversión de fibras musculares lentas a rápidas a través de la inducción  de la transición  de MYH7 a MYH2, MYH2 a MYH1 y MYH1 a MYH4. Adicionalmente, la T3 altera los perfiles de contracción  modulando la expresión de miARN. Por ejemplo, el miR-133a es inducido por T3  y es altamente expresado en músculos de contracción rápida. La transición lenta-rápida inducida por T3 es afectada por la expresión de miR-133a. El desarrollo postnatal del retículo sarcoplásmico también depende de T3 especialmente la expresión de SERCA1 en músculos de contracción rápida, la cual está asociada con incremento del almacenamiento de Ca²⁺. Esto explica parcialmente el incremento de velocidad del ciclo contracción-relajación. Las HT aceleran la relajación muscular  a través de la estimulación directa  de la expresión de ATP2A1 (SERCA1A) y ATP2A2 (SERCA2A).

   El tratamiento con T3 incrementa el consumo de oxígeno máximo, el cual es más de dos veces mayor en el sóleo que en el plantar formados por fibras oxidativas  de contracción lenta  y fibras mixtas de contracción rápida, respectivamente. El estímulo para el cambio  de una fibra glucolítica  a una oxidativa incrementa no solo el contenido mitocondrial  sino también la fusión mitocondrial, formando mitocondrias alargadas. Los niveles de T3 promueven la respuesta apropiada del músculo a la insulina y este efecto depende  de la conversión  de T4 a T3 por la D2 local. Este efecto está parcialmente asociado con el incremento en la captación de glucosa por la regulación en alza de transportadores GLUT4 en condiciones basal e inducida por insulina. El HTR forma un complejo con el factor de diferenciación miogénica 1 (MYOD1) y el factor aumentador de miocitos 2 (MEF2) en el HTE del promotor del gen Sk2a4 contribuyendo a la regulación transcripcional. Las fibras musculares oxidativas lentas y rápidas presentan una mayor expresión de GLUT4 y una mayor capacidad de captación de glucosa que las fibras glucolíticas rápidas. Además de la captación de glucosa, las HT estimulan rutas oxidativas a través de un incremento en la biogénesis mitocondrial. Esto ocurre a través de la estimulación de la expresión de factores intermediarios, especialmente el factor de transcripción coactivador-1α del receptor activado por proliferador de peroxisoma (PGC1A), el cual es un regulador clave de la biogénesis mitocondrial en el ME. La T3 regula positivamente al PGC1A.

   Las proteínas desacopladoras 2 y 3 (UCP2, UCP3) promueven el desacoplamiento mitocondrial en el ME, la disipación de energía en forma de calor y la disminución de la eficiencia  de energía de la célula. La UCP2  está ampliamente distribuida y la UCP3 es expresada primariamente en ME. Las HT podrían incrementar la tasa metabólica en reposo a través de modulaciones en la UCP3. La T3 también incrementa la expresión de citrato sintetasa que interviene en la primera etapa  del ciclo del ácido cítrico y estimula a la glicerol-3-fosfato deshidrogenasa, una enzima clave del metabolismo intermediario. Por lo tanto, el mecanismo asociado con el incremento en la actividad mitocondrial, la fosforilación oxidativa  y el consumo de oxígeno está relacionado con la estimulación de enzimas mitocondriales y UCP3.

   El crecimiento y la regeneración del ME dependen de la proliferación  y diferenciación de la población de “stem cells” musculares, células satélites (CS), en un proceso conocido como miogénesis. Los nichos de CS se localizan entre el sarcolema y la lámina basal de las fibras musculares, las cuales normalmente están cercanas al área endotelial.  La localización del nicho de stem cell permite a las CS recibir señales extrínsecas de la circulación sanguínea y señales intrínsecas de las fibras musculares. Ambos estímulos pueden modular la proliferación y la diferenciación  de células progenitoras. La miogénesis es controlada por la expresión jerárquica  de factores de transcripción  que depende de las condiciones ambientales y el estado de diferenciación de la célula. Las CS quiescentes expresan Pax7 y Foxo3, los cuales están involucrados en la supervivencia y la autorenovación  de las células. Bajo los estímulos apropiados, las CS entran en diferenciación y expresan Pax7 y D3. El bajo nivel intracelular de T3 favorece la supervivencia y la proliferación celular. Las CS activadas expresan PAX7 y factor miogénico 5 (MYF5) y disminución de  la expresión de D3, por lo que pueden aumentar los niveles intracelulares de T3, e inducir la expresión de FOXO3, el cual a su vez induce la expresión de D2 y reprime la expresión de D3. El  Pax7 regula la expresión  de los factores reguladores miogénicos (MRF), una familia de factores de transcripción que son esenciales para la progresión de la miogénesis, como  MYF5 y MYOD1, los cuales tienen roles redundantes en la miogénesis e inducen la expresión de miogenina (MYOG) y MRF4 por los mioblastos. MYOD1 y MYOG están involucrados  en la diferenciación miogénica terminal y son regulados positivamente  por la T3. T3 y FOXO3  inducen la expresión de MYOD1 provocando la progresión de la diferenciación  de CS activadas en el mioblasto proliferativo. El control de los niveles intracelulares de T3 es fundamental para la progresión de la miogénesis. La expresión de D3 es uno de los controladores  de la proliferación y la supervivencia de CS. La D3 es altamente expresada en CS activadas y proliferantes, pero es regulada a la baja durante el proceso de diferenciación. La estimulación de la diferenciación de mioblastos por la T3 involucra la inhibición de AP1, un inhibidor de la diferenciación, vía HTRA.  Durante la fase proliferativa de los mioblastos, el HTRA1 reprime la actividad transcripcional de MYOD1 y MYOG independientemente de la presencia de T3. Sin embargo, MYOD1 induce la actividad transcripcional  de HTRA1 en un asa de retroalimentación negativa en la actividad de MYOD1. El HTRA es esencial para la proliferación y diferenciación de mioblastos a través de la activación de la ruta de señalización  Wnt/beta catenina. Adicionalmente, FOXO3  induce la expresión de D2, provocando un incremento intracelular de T3, la cual reprime a AP1 e induce la expresión de MYOD1 y MYOG. El incremento en los niveles intracelulares de T3 es importante para la diferenciación terminal de los miocitos, la T3 regula positivamente  la expresión de MYOD1 y MYOG. Adicionalmente, los efectos de T3, MYOG y MF4 son cruciales para la diferenciación terminal  de miocitos en miotubos/miofibras  a través de la expresión de MYH y SERCA. Entonces, bajos niveles intracelulares de T3 son importantes  para apoyar la proliferación inicial de CS, mientras un incremento en la respuesta intracelular a HT está asociado con la diferenciación terminal de ME.

   En conclusión, las HT influyen en la función contráctil, la miogénesis y el metabolismo bioenergético  del ME. Estos efectos dependen de la presencia de los transportadores de HT, MCT8 y MCT10, en la membrana plasmática, la expresión  de receptores de HT (HTRA y HTRB) y la disponibilidad de hormona, la cual está determinada por la conversión  de T4 en T3 por la D2 o por la inactivación  de T4 en rT3 por la D3. La tasa de contracción y relajación del ME depende de la regulación por T3 de la expresión de miosina  y el aporte de energía por la oxidación de sustratos en la mitocondria. El balance entre la expresión de D2 y D3  determina los niveles intracelulares de HT y por lo tanto influye en la proliferación y diferenciación de CS, lo cual sugiere un importante rol de las HT en la reparación del músculo y la miogénesis.

Fuente: Bloise FF et al (2018). Role of thyroid hormone in skeletal muscle physiology. Journal of Endocrinology 236: R57-R58.

Prolactina y secreción de gonadotropinas

En 1964 John Everett describió una relación recíproca entre prolactina y gonadotropinas, según la cual cuando los niveles de prolactina son altos, como ocurre durante la lactancia o en mujeres con tratamiento crónico de estradiol, los niveles de gonadotropinas son bajos.  Esto ha sido confirmado muchas veces con evidencia que los niveles elevados de prolactina provocan la supresión  de la secreción hipotalámica pulsátil de hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH) e infertilidad. Por otra parte, a partir de 1983, con el hallazgo que las gonadotropinas son secretadas de una manera pulsátil, múltiples reportes señalan que el patrón de secreción de prolactina está relacionado con el de las gonadotropinas, con pulsos “concordantes” de prolactina  y  hormona luteinizante (LH), lo cual sugiere que un “pulso generador” común puede manejar la secreción de las dos hormonas. Por supuesto, el mejor ejemplo de secreción concordante de prolactina y LH ocurre durante el período preovulatorio del ciclo menstrual que se caracteriza por picos concurrentes de ambas hormonas inducidos por estradiol en muchas especies.

   El descubrimiento de las kisspeptinas ha sido un gran aporte en el entendimiento de los sistemas neuroendocrinos que controlan la reproducción porque pueden estar involucradas en diversas formas de coordinación entre prolactina y LH. La mayoría de células kisspeptina expresan el receptor de prolactina y la supresión de kisspeptinas inducida por prolactina subyace a la infertilidad asociada con la hiperprolactinemia. Un trabajo reciente indica que  las kisspeptinas pueden ser importantes  en el manejo de la secreción concordante de prolactina y LH por la hipófisis. Este estudio demuestra que el tratamiento con kisspeptinas puede estimular agudamente la liberación de prolactina por la hipófisis,  una respuesta que es altamente sensible a los niveles de esteroides ováricos.  Esta acción involucra la inhibición aguda de la secreción de dopamina  por las neuronas dopaminérgicas tuberoinfundibulares (TIDA) y por consiguiente la desinhibición de la secreción de prolactina por la hipófisis. Está claro actualmente que las neuronas kispeptina del núcleo arqueado del hipotálamo son el “pulso generador” que gobierna la secreción pulsátil de GnRH. Cada episodio de liberación fásica de kisspeptina por estas neuronas dispara un pulso de secreción de GnRH y, por consiguiente, un pulso de LH y simultáneamente reduce la salida de dopamina de la eminencia media  e induce un pulso de secreción de prolactina. En este escenario, los receptores de prolactina en las neuronas kisspeptina pueden formar parte de una retroalimentación negativa. Este efecto puede explicar cómo a largo plazo la elevación crónica de prolactina  podría tener un efecto supresor sobre la reproducción.

   No es sorprendente que las neuronas kisspeptina del núcleo arqueado influyan en la secreción de prolactina. Desde el año 2012, estas células han sido reconocidas como neuronas kisspeptina y poco tiempo después se demostró que coexpresan neurokinina B (NKB) y dinorfina, por lo que actualmente son conocidas como células KNDy. Las neuronas KNDy se proyectan  hacia -y regulan- las neuronas TIDA que son cruciales para el control de la secreción de prolactina. Esta evidencia anatómica ha sido confirmada por la demostración de aferencias KNDy en las neuronas TIDA. Entonces, existe la conexión entre las neuronas KNDy del núcleo arqueado y las neuronas TIDA para regular la secreción de prolactina. Las neuronas KNDy del núcleo arqueado, actuando como un pulso generador hipotalámico, pueden iniciar la secreción pulsátil concordante de LH y prolactina  a través de la estimulación de pulsos de liberación de GnRH en el hipotálamo y la reducción transitoria  de la liberación de dopamina por las neuronas  TIDA. La conexión anatómica ha sido demostrada, pero el mecanismo de acción, al menos en términos de la inhibición de neuronas TIDA, se mantiene incierto.

   Ahora bien, hasta cierto punto, es sorprendente el rol de las kisspeptinas en el pico preovulatorio de prolactina. Un estudio reciente reporta que la administración de un antagonista de kisspeptina a ratas ovariectomizadas preparadas con estradiol bloqueó completamente el pico preovulatorio de LH inducido por estradiol. Este tratamiento también suprimió el pico de prolactina que ocurre en estos animales. Este hallazgo sugiere que la acción de las kisspeptinas también es requerida para el pico de prolactina. Lo que resulta más sorprendente aún es el hecho que el pico de secreción de LH no involucra la misma población  de neuronas KNDy del núcleo arqueado. La evidencia reciente sugiere que el pico preovulatorio de LH inducido por estradiol  es estimulado por una población diferente de neuronas kisspeptina que se encuentra en la región periventricular rostral del tercer ventrículo (RP3V). Las dos poblaciones de neuronas kisspeptina  parecen segregar la acción de retroalimentación positiva del estradiol  para estimular la liberación de kisspeptinas (neuronas RP3V) del efecto de retroalimentación negativa del estradiol para inhibir la liberación de kisspeptinas (neuronas kisspeptina del núcleo arqueado) y por consiguiente suprimir la secreción pulsátil de LH. Por otra parte, los nuevos datos sugieren que las kisspeptinas tienen un rol fisiológico para estimular el pico preovulatorio de prolactina, en el cual está involucrada la población RP3V. Las neuronas kisspeptina RP3V manejan el pico preovulatorio de LH  y también juegan un rol en la estimulación del pico concurrente de prolactina. Por lo tanto, la elevación crónica de prolactina podría provocar la supresión de la secreción de LH. Sería interesante determinar si este efecto de las neuronas kisspeptina RP3V también es mediado por una acción sobre las neuronas TIDA o por otro mecanismo aún no determinado que potencialmente involucra un factor liberador de prolactina. Un efecto sobre las neuronas TIDA no está fuera de razón pues hay evidencia anatómica de una proyección de las neuronas kisspeptina RP3V en el núcleo arqueado.

   En conclusión, las kisspeptinas pueden estimular la secreción de prolactina y LH. La evidencia reciente sugiere una interacción compleja de neuronas kisspeptina con las neuronas dopaminérgicas TIDA que controlan la secreción de prolactina e involucra neuronas KNDy del núcleo arqueado y potencialmente  neuronas kisspeptina RP3V. Cada brote fásico de liberación de kispeptinas por las neuronas del núcleo arqueado dispara un pulso de liberación hipotalámica de GnRH y por consiguiente un pulso de LH en la hipófisis, pero simultáneamente reduce la liberación de dopamina por las neuronas TIDA e induce un pulso de secreción de prolactina por la hipófisis.

Fuente: Grattan DR (2018). Coordination  or coincidence? The relationship between prolactin and gonadotropin secretion. Trends in Endocrinology & Metabolism 29: 3-5.

Propiedades bioquímicas y celulares  de la señal del receptor de insulina

Después del descubrimiento de la insulina por  Banting y Col. en 1921, su mecanismo de acción permaneció poco claro durante aproximadamente 30 años. En 1950, Rachmiel Levine demostró que la insulina incrementa la permeabilidad de la membrana a la glucosa, como parte de su efecto para disminuir la glucemia, poniendo fin a la especulación que la insulina se unía directamente a las enzimas glucolíticas para modificar su acción. En 1971, Jessse Roth y sus colegas  demostraron la existencia de un receptor de membrana para insulina. Sin embargo, el mecanismo de señalización intracelular que desencadena la unión de la insulina a su receptor (IR) era poco conocido hasta que Kasuga y Kahn en 1982, usando anticuerpos aislados de pacientes con síndromes autoinmunes de resistencia a la insulina, demostraron que el IR es fosforilado en los residuos tirosina  en respuesta a la unión de la insulina. El IR fue clonado por los grupos de Ulrich y Rutter en 1985. La noción de la fosforilación de tirosinas como base  de la señal insulina es actualmente ampliamente aceptada, desviando la atención de la superficie celular  hacia las rutas intracelulares que median las diversas acciones del IR. En 1991, White y Kahn clonaron la primera de cuatro proteínas sustrato de IR (IRS), una familia de proteínas adaptadoras cuyo principal rol es convertir la fosforilación de tirosinas en una señal quinasa reclutando la subunidad catalítica de la enzima PI3K. Esto genera el PI3 requerido para activar a la serina/treonina quinasa AKT. La AKT proporciona el enlace con las etapas distales de la señal insulina, como la modulación de la captación de glucosa por transportadores de glucosa tipo 4 (GLUT4), la síntesis de glucógeno por la glucógeno sintetasa 3 (GSK3), la síntesis de proteínas y lípidos por mTOR y la expresión de genes por FOXO.

   La insulina tiene efectos complejos sobre el metabolismo, el crecimiento celular y la diferenciación celular. Virtualmente todas las células poseen IR y por lo tanto responden a la insulina.  Los principales tejidos blancos para los efectos de la insulina sobre el metabolismo incluyen al músculo esquelético donde la insulina promueve la utilización de glucosa y la síntesis de proteínas; el tejido adiposo, donde la insulina promueve la captación de glucosa y ácidos grasos e inhibe la lipólisis; el hígado, donde la insulina promueve la utilización de glucosa, suprime la producción de glucosa y promueve la síntesis de triglicéridos; y las neuronas donde promueve señales anorexigénicas y locomotoras. Otros blancos de la insulina con funciones metabólicas son los macrófagos, las células endoteliales y las células β del páncreas productoras de insulina. Más aún, algunos de los mediadores claves de la señal insulina como PI3K y AKT son activados por receptores de factores de crecimiento. Cada etapa en la cascada de señalización de la insulina es una  reacción enzimática reversible. Para cada quinasa activada por la insulina, a menudo hay múltiples  fosfatasas que suprimen la acción de las quinasas activadas por insulina. Por otra parte, diferentes modificaciones postraslacionales de una misma proteína blanco a menudo resultan en diferentes efectos biológicos.

   La insulina es el más importante regulador negativo de su propia señal. El IR, similar a otros receptores tirosina quinasa, exhibe internalización  inducida por ligando y degradación lisosomal o reciclaje para regresar a la superficie celular. Este evento requiere un dominio de doce aminoácidos localizado en la parte intracelular  del dominio yuxtamembrana del IR. El pH ácido de los lisosomas favorece la liberación de la insulina unida al IR. En la medida que los niveles de insulina aumentan, el IR es regulado a la baja en la superficie celular y disminuye la señal insulina, contribuyendo a su finalización. Esto es la base de la observación que la resistencia a la insulina está asociada con hiperinsulinemia. Sin embargo, debido a que este fenómeno es estrictamente dependiente de las concentraciones plasmáticas de insulina es revertido rápidamente  cuando los niveles de insulina disminuyen, sobre todo en el ayuno en humanos.

   Como regla general, la fosforilación de tirosina activa -y la fosforilación  de serina/treonina inactiva- al IR y las proteínas IRS. En un nivel más granular, los efectos son sitio-dependiente, pero la fosforilación de serina/treonina es un mecanismo mayor por el cual la señal del IR es afinada, antagonizada o finalizada. Un ejemplo de fosforilación inhibidora  de IRS es la iniciada por citoquinas inflamatorias. Esta ruta  puede ser disparada por la infiltración de macrófagos en el tejido adiposo durante la obesidad. Estos macrófagos secretan citoquinas pro-inflamatorias, incluyendo TNFα, IL-1βe IL-6, las cuales actúan de manera paracrina para activar serina quinasas en los adipocitos, incluyendo IκB quinasa β (IKKβ), c-Jun-terminal quinasa (JNK), S6K y mTOR.   Estas quinasas llevan a cabo la fosforilación inhibidora  de IRS1, causando resistencia a la insulina en los adipocitos. Consistente con esto, la activación de rutas inflamatorias puede alterar el metabolismo de la glucosa y causar resistencia a la insulina sistémica. La evidencia reciente demuestra que la activación de células inmunes en hígado, músculo, páncreas y cerebro también puede alterar la señal insulina local y provocar disfunción metabólica. Otro mecanismo de antagonismo de IR es causado por la lipotoxicidad. La activación dependiente de diacilglicerol de la proteína quinasa Cε (PKCε) altera la autofosforilación del IR a través de la fosforilación  de treonina 1160 en el asa de activación de IR. Además del diacilglicerol, la acumulación de ceramidas también puede alterar la función  de la AKT a través de la estimulación de la actividad de la PKCζ, la cual altera la localización  en la membrana de la AKT y la proteína fosfatasa  2A (PP2A).

   Las concentraciones en la membrana plasmática del segundo mensajero lípido  PtdIns (3,4,5) P₃ son controladas por  la PI3K no solo a nivel de síntesis sino también  a nivel de localización  y degradación.  Dos fosfatasas de lípidos son conocidas por desfosforilar PtdIns (3,4,5)P₃  y por lo tanto atenuar la señal insulina: PTEN Y SHIP2 (Src homology 2 (SH2)-containing inositol 5´-phosphatase 2). La PTEN es una 3´-fosfatasa  que convierte PtdIns (3,4,5)P₃ en su precursor PtdIns(4,5)P₂ y finaliza la señal insulina. La inhibición de la PTEN incrementa la actividad de la AKT y por consiguiente amplifica los efectos de la insulina sobre el metabolismo de la glucosa y las rutas de crecimiento y supervivencia celular. La SHIP2 es una 5´-fosfatasa que convierte PtdIns (3,4,5)P₃  en PtdIns (3,4)P₂. Los estudios in vitro reportan que la SHIP2 regula negativamente la fosforilación de AKT estimulada por la insulina y los estudios in vivo han demostrado que la carencia de SHIP2 en ratones protege  contra la obesidad y la resistencia a la insulina.

   La proteína tirosina fosfatasa 1B (PTP1B) regula negativamente la señal insulina  desfosforilando  residuos tirosina en el IR y las proteínas IRS. Esta fosfatasa tiene un efecto primario en el sistema nervioso central, aunque incrementos en la fosforilación de IR e IRS  en respuesta a la depleción de PTP1B   han sido detectados en tejidos periféricos. La PTP1B también regula negativamente la señal leptina a través de su acción sobre la Janus quinasa 2 (JAK2). Debido a que las funciones  de leptina e insulina se traslapan parcialmente, la PTP1B tiene el potencial para ser un nodo de integración en la transducción de la señal  que subyace a los efectos biológicos de las dos hormonas. Las fosfatasas 1α (PHLPP1α), PHLPP1β y PHLPP2 constituyen una familia distinta  proteínas fosfatasas serina/treonina. Ellas fueron primero descubiertas como fosfatasas de la Ser473 de la AKT, pero también actúan sobre otros sustratos como PKC y S6K. Las PHLPP están involucradas en dos asas de retroalimentación negativa separadas en la señal insulina. Primero, la señal insulina promueve la translación  de la proteína PHLPP vía activación  de S6K dependiente  de mTOR. Segundo, la señal insulina estabiliza proteínas PHLPP. Esto ocurre debido a la fosforilación de AKT y la inhibición de GSK3β, la cual normalmente  fosforila PHLPP, causando su degradación. La proteína fosfatasa 2A (PP2A) es otra serina/treonina fosfatasa que desfosforila a la AKT.  La enzima comprende tres subunidades: estructural, reguladora y catalítica. Cada subunidad tiene múltiples isoformas y se estima que pueden existir 75 diferentes holoenzimas. Ciertos componentes han sido relacionados específicamente con la regulación negativa de la señal insulina. Además de la AKT, hay numerosos blancos para desfosforilación mediada por PP2A.

   Otros inhibidores de la señal IR son las proteínas adaptadoras GRB10 y GRB14. Estas proteínas  contienen  dos dominios diferentes que pueden unirse al IR (y al receptor del factor de crecimiento similar a insulina 1 (IGF1R)). Un dominio es una región referida como BPS que se une a la hendidura de unión a sustrato del IR. El segundo dominio  es una región SH2 que se une residuos tirosina fosforilados del IR. Las proteínas GRB actúan como pseudosustratos y obstruyen la unión y activación del IR. La señal insulina a través de la  AKT y el complejo mTORC1 causa la fosforilación directa de la GRB10. Esto estabiliza a la GRB10, perpetuando su efecto inhibidor sobre el IR. La importancia fisiológica de estas proteínas consiste en mejorar la sensibilidad a la insulina.

   Las proteínas SOCS actúan como inhibidoras  del IR. Cuatro miembros de esta familia (SOC1, SOCS3, SOCS6 y SOCS7) atenúan la señal insulina. La mayoría de estudios indican un rol para las proteínas SOCS  en la terminación  de la señal insulina. Hay dos mecanismos para esta inhibición: uno es que una proteína SOCS, a través de su dominio SH2, se une y ocupa el sitio fosfotirosina del IR, y el segundo es que una proteína SOCS, a través de su dominio SOCS, recluta una ubiquitina ligasa para la degradación proteosomal de proteínas IRS. Consistente con estos mecanismos moleculares, la evidencia sugiere que reducir o inhibir proteínas SOCS podría beneficiar la sensibilidad a la insulina.

   Los estudios en humanos y roedores  indican que las isoformas individuales de las proteínas involucradas en la señal –y terminación de la señal- insulina funcionan de manera distinta. Estos hallazgos apoyan un modelo combinado  de la señal insulina, donde una simple hormona puede provocar un espectro  de consecuencias. El IR tiene dos isoformas, A y B. La isoforma B es generada por “splicing” alternativo y contiene un exón adicional que codifica 11 aminoácidos. El IR-A tiene afinidades comparables por la insulina y el IGF-II. Hay una pequeña diferencia en las propiedades de señalización de las dos isoformas, el IR-A  es más fuerte que el IR-B en sus efectos metabólicos y en la promoción de la síntesis de glucógeno. En general, el IR-A funciona primariamente  como una isoforma que promueve el crecimiento durante la vida fetal, mientras el IR-B es la isoforma predomínante en el hígado adulto y reduce la sensibilidad del hepatocito a la insulina en vista que las células hepáticas son expuestas  a las altas concentraciones de insulina de la vena porta. En mamíferos, hay cuatro isoformas de IRS, aunque los humanos carecen de IRS3. Las isoformas IRS difieren con respecto a la distribución tisular  y la capacidad para comprometer sustratos celulares. Entonces, la acción de la insulina puede ser explicada  por la capacidad  de estas proteínas adaptadoras para comprometer diferentes  rutas celulares. IRS1 e IRS2 son las principales isoformas involucradas en la homeostasis metabólica, pero IRS1 es ligeramente más valiosa para el mantenimiento del metabolismo hepático.  Mientras IRS1 es expresada en un nivel relativamente consistente, IRS2 es más abundante durante el ayuno –debido a  la activación transcripcional de FOXO6- y sus niveles son disminuidos por la insulina. Los estudios in vivo demuestran que la IRS2  lleva  acabo la señal insulina principalmente durante el ayuno e inmediatamente después de ingerir alimento, mientras la IRS1 actúa principalmente en el estado alimentado. Con relación a la AKT, hay tres isoformas (AKT1-3) y cada una  puede tener  efectos distintos. Aunque las dos formas principales de AKT (1 y 2) no son redundantes en células que expresan ambas isoformas, hay dos factores que determinan la especificidad de la señal insulina: su abundancia relativa y su localización intracelular. La evidencia sugiere que la AKT2 es la isoforma más importante para la homeostasis de la glucosa, mientras la AKT1  es importante para el crecimiento y la AKT3 para el desarrollo cerebral.

   Los efectos celulares individuales de la insulina ocurren con distinta dinámica temporal. Estas diferentes dinámicas dependen de la cinética de la secreción  de insulina, la expresión dinámica de las proteínas de la señal insulina, la cinética de las actividades quinasas del IR y la sensibilidad de los mediadores transcripcionales a la señal insulina. Por lo tanto, los diferentes efectos biológicos de la señal IR ocurren en diferentes tiempos después del inicio de la señal insulina. El análisis fosfoproteómico demuestra que la fosforilación de las tirosinas de IR e IRS ocurren en el primer minuto del tratamiento con insulina. Muchos sitios se mantienen fosforilados por largos períodos, mientras otros son transitorios. 

   La estimulación de la captación de glucosa es una de las primeras actividades biológicas reconocidas de la insulina. Aunque la insulina estimula la captación de glucosa en muchos tipos de células, el efecto es más pronunciado en adipocitos y células musculares, aumentando la captación de glucosa aproximadamente diez y cinco veces, respectivamente. El fenómeno fue descrito por primera vez en adipocitos de rata. Según los datos de este estudio, la insulina estimula la captación de glucosa, alcanzando un plateau  aproximadamente diez veces mayor que los niveles no estimulados, en 15 minutos. El incremento de la tasa de captación de glucosa se mantiene con la presencia continua de insulina y retorna rápidamente a los niveles de pre-estimulación cuando la insulina es removida. Una vez identificados los transportadores de glucosa, se demostró que la insulina controla la captación de glucosa a través de la densidad de transportadores en la membrana plasmática más que disparando la actividad de los transportadores. Adipocitos y miotubos expresan GLUT4, un miembro de la familia GLUT de transportadores de glucosa y la regulación del tráfico de GLUT4 hacia –y desde- la membrana plasmática subyace a la regulación de la captación de glucosa por la insulina en estas células.

   Los efectos de la insulina son mediados por varios factores de transcripción, incluyendo FOXO, SREBP1c, co-activador de transcripción regulado por CREB 2 (CRTC2) y  transactivador interactuante con proteína de unión a CREB (CBP)/p300 2 (CITED2). La evidencia de un rol de FOXO y SREBP1c es apoyada por varios estudios. Durante el ayuno, FOXO estimula en el hígado la expresión de la glucosa-6-fosfatasa y suprime la expresión de la glucokinasa, promoviendo por lo tanto la salida de glucosa. La inactivación de FOXO por la insulina revierte estos efectos. Adicionalmente, FOXO media los efectos de la insulina sobre la diferenciación de adipocitos, la transcripción y procesamiento  de neuropéptidos y la salud de las células β del páncreas.  El SREBP1c promueve la expresión de las enzimas involucradas en la síntesis de ácidos grasos. A diferencia de FOXO, el SREBP1c  es activado por la insulina transcripcionalmente y post-transcripcionalmente, donde el SREBP1c es procesado a su forma madura y trasladado al núcleo. Las rutas de la señal insulina que regulan a FOXO y SREBP1c son diferentes, pues la regulación de SREBP1c es a través de mTOR, mientras FOXO es un blanco directo  de la AKT. Hay también sustanciales diferencias temporales en los efectos de la insulina sobre FOXO y SREBP1c. FOXO es muy sensible a la insulina y alcanza la máxima fosforilación en el hígado a los 30 segundos de la administración de insulina. Por el contrario, la activación de SREBP1c ocurre más tarde y requiere mayor dosis de insulina.

   El descubrimiento que la insulina causa la exclusión nuclear de FOXO dependiente de AKT desvió la atención sobre la señal insulina  de la membrana al núcleo. Este mecanismo no es único de FOXO ni unidireccional. La translocación del SREBP1c maduro al núcleo es un ejemplo. Otro ejemplo es el CRTC2, el cual es fosforilado por la SIKC2, un sustrato  de la AKT. La localización subcelular de FOXO es regulada por otras rutas de señalización que funcionan en conjunto con la insulina para promover la exclusión nuclear de FOXO, o contrarrestarlo. El ayuno, el glucagón y otras rutas activadas por el estrés promueven la importación de FOXO en el núcleo a partir del citoplama. El estrés oxidativo causa la desacetilación  de FOXO, lo cual promueve la su retención nuclear y activación, pero también promueve su degradación. Por otra parte, la acetilación sensibiliza al FOXO a la fosforilación inducida por insulina mientras incrementa la estabilidad. Estas modificaciones influyen en la actividad de FOXO en múltiples tipos de células incluyendo células β, hepatocitos, macrófagos y células endoteliales.

   El lisosoma, donde el mTORC1 es activado, ha emergido como un importante sitio de la señal insulina. El mTORC1 es translocado a los lisosomas en respuesta a aminoácidos, un proceso que es mediado por un complejo de proteínas llamado Ragulator. En la membrana del lisosoma, la activación de mTORC1 por RHEB solo procede si la señal insulina también es activada. La coordinación espacial de múltiples proteínas de señalización en el lisosoma es un mecanismo para controlar la activación de  mTORC1 en respuesta a factores hormonales (insulina) y nutricionales (aminoácidos).

   Las membranas de retículo endoplásmico asociadas a mitocondrias (MAM) interactúan físicamente con la mitocondria. Esta yuxtaposición facilita la transferencia de calcio y lípidos entre los dos organelos  y es considerada como un sitio donde rutas de señalización, particularmente las relacionadas con el flujo de calcio, interactúan con rutas del metabolismo  energético y de lípidos. La evidencia reciente sugiere que las MAM son un blanco importante para la señal insulina. AKT y mTORC2, el complejo quinasa responsable de fosforilación de Ser473 de la AKT, están  localizados en las MAM y esta localización es aumentada con la señal insulina al tiempo que contribuye a la regulación de la función de las MAM y el flujo de calcio. La integridad de las MAM contribuye a la señal insulina, pero la sobre abundancia de MAM empeora la señal insulina y el metabolismo de la glucosa. Por otra parte, la acción de la insulina en una célula puede ser influenciada por su posición espacial en el tejido, vía efectos paracrinos o diferencias en el acceso a hormonas y/o nutrientes. Por ejemplo, la infiltración de macrófagos en el tejido adiposo durante la adiposidad, la cual puede iniciar rutas inflamatorias que alteran la señal insulina.  O los hepatocitos que están arreglados en zonas descritas por su proximidad a la vena porta (rica en nutrientes y oxígeno) o la vena central (relativamente privada de nutrientes y oxígeno). Un trabajo reciente reporta que mientras IR, IRS2 y AKT son igualmente distribuidas, el IRS1 es dos veces más abundante en los hepatocitos pericentrales. Esto puede causar que la IRS1 se involucre preferencialmente en rutas glucolíticas y lipogénicas, proporcionando otra capa de especificidad para la regulación coordinada  de rutas metabólicas.

   En conclusión, el mecanismo de acción de la insulina es un tema central de la biología y la medicina. Además de los efectos directos de la insulina sobre las proteínas quinasas  y las enzimas metabólicas, el descubrimiento de mecanismos de transcripción de genes  regulados por insulina, ha provocado una revisión de los principios generales de la acción de la insulina.  

Fuente: Haeusler RA et al. (2018) Biochemical and celular properties of insulin receptor signalling. Nature Reviews Molecular Cell Biology 19: 31-44.

Utilidad clínica de esteroides derivados del cortisol

 Aunque la síntesis química de esteroides derivados de cortisol  fue reportada en 1963, no fue sino a inicios de  los años 80 que se relacionaron con el incremento en la secreción de aldosterona en pacientes con adenomas productores de aldosterona (APA). En la orina de un paciente con APA se aisló e identificó  el 18-hidroxicortisol y poco tiempo después se identificó el 18-oxocortisol. Estudios posteriores reportaron el origen, la biosíntesis y la actividad biológica de estos esteroides, así como el incremento de su secreción en pacientes con enfermedad adrenocortical. En sujetos sanos, la secreción de ambos esteroides por las adrenales es baja con la secreción de18-hidroxicortisol sustancialmente mayor que la de 18-oxocortisol. Los niveles más altos de estos esteroides han sido detectados en pacientes con hiperaldosteronismo familiar tipo 1 (HF tipo1, aldosteronismo remediable con glucocorticoides)  y tipo 3 (HF tipo 3), causados por mutaciones KCN/5. Dado que los pacientes con HF tipo 1 expresan un gen hibrido o quimérico responsable del incremento en la secreción  de 18-hidrocortisol y 18-oxicortisol, estos esteroides son conocidos como esteroides “híbridos”. Sin embargo, el término “hibrido” refleja propiamente la estructura molecular hibrida que comprende características del metabolismo de la zona glomerulosa (18-hidroxilación y 18-oxidación) y de la zona fasciculada (17-hidroxilación) de la glándula suprarrenal. Esto es producto de la recombinación de la región promotora y exones iniciales del gen CYP11B1 y los últimos exones del gen CYP11B2 que resulta en un gen adicional expresado en la zona fasciculada, regulado por la ACTH, el cual es responsable de la síntesis de aldosterona y los dos esteroides híbridos. 

   El sitio adrenal de la síntesis de los esteroides híbridos no es completamente entendido aunque está claro que para la síntesis de 18-hidrocortisol y 18-oxocortisol se requiere la acción de la aldosterona sintetasa  y la 17α-hidroxilasa con el cortisol como principal sustrato. Las adrenales expresan aldosterona sintetasa solamente en la zona glomerulosa y 17α-hidroxilasa solamente en la zona fasciculada. Un estudio con cortes de adrenales de bovino reporta que  la síntesis de aldosterona y esteroides híbridos ocurre en los cortes externos próximos a la cápsula, los cuales comprenden principalmente zona glomerulosa. Por otra parte, el cortisol circulante puede ser convertido en 18-oxocortisol por las adrenales. Las enzimas CYP11B1 Y CYP11B2 son capaces de transformar el cortisol en 18-hidrocortisol, pero la CYP11B2 es más eficiente. El 18-hidrocortisol es convertido en 18-oxocortisol por la CYP11B2.

   La actividad biológica del 18-oxocortisol es cualitativamente similar a la de la aldosterona, pero la potencia es baja con solo 3-4%  de la actividad del cortisol como glucocorticoide  y 0,6-1,3%  de la actividad de la aldosterona como mineralocorticoide, mientras el 18-hidrocortisol no tiene actividad biológica conocida. En ratas, la administración de 18-oxocortisol induce hipertensión tipo mineralocorticoide con hipokalemia, agrandamiento cardiaco y renal y lesiones cardiovasculares. La excreción urinaria de los esteroides híbridos es aumentada por eosintropina e inhibida por dexametasona. El eje hipófisis-adrenal y el sistema renina-angiotensina regulan la secreción de ambos esteroides. La supresión por dexametasona es mediada por la inhibición de cortisol. La restricción de sodio de la dieta y la carga de sodio incrementan y disminuyen la excreción urinaria de esteroides híbridos, respectivamente.

   Después de la identificación  de los esteroides híbridos  en humanos, varios estudios han confirmado  la presencia  de ambos esteroides  en plasma y orina. En sujetos normotensos, la excreción urinaria de 18-hidrocortisol  es casi diez veces mayor  que la de 18-oxocortisol. En pacientes con hipertensión, la excreción urinaria de esteroides híbridos no es diferente de la de sujetos normotensos. Todos los estudios sobre los niveles plasmáticos y urinarios de esteroides híbridos  reportan mayores niveles en pacientes con aldosteronismo primario que en los pacientes con hipertensión primaria. Un estudio reciente reporta que los niveles plasmáticos de 18-oxocortisol  son 12 veces mayores en pacientes con APA en comparación con los pacientes con hiperplasia adrenal bilateral (HAB), mientras los niveles de 18-hidrocortisol son solamente tres veces mayores. Los niveles plasmáticos de 18-oxocortisol  se correlacionan positivamente con los niveles plasmáticos de aldosterona en ambos grupos de pacientes, pero los niveles plasmáticos de 18-hidrocortisol muestran esta correlación solamente en los pacientes con APA. El mecanismo del aumento de secreción  de esteroides híbridos y en particular de 18-oxocortisol en los pacientes con APA es similar al de los pacientes con HF tipo 1. Los esteroides híbridos, particularmente el 18-oxocortisol pueden contribuir al desarrollo y severidad  de la hipertensión en los pacientes con aldosteronismo primario. Esta presunción se basa en la observación que en algunos pacientes la severidad de la hipertensión  está disociada de la elevación en la secreción de aldosterona, lo cual da lugar a la posibilidad de involucrar a otros esteroides mineralocorticoides. Sin embargo, debido a la ausencia de -o la baja- actividad biológica  de ambos esteroides es poco probable que los esteroides híbridos tengan un rol significativo en la elevación de la presión arterial en el aldosteronismo primario.

   Varios estudios han investigado el valor diagnóstico de los esteroides híbridos para distinguir APA de HAB. En este contexto, un estudio reporta una clara diferencia en la excreción urinaria de estos esteroides entre pacientes con APA y pacientes con HAB. En otro estudio, los pacientes con HAB expresaron niveles plasmáticos de 18-oxocortisol por debajo de 6,1 ng/dl, mientras ningún paciente con APA expresó niveles plasmáticos de 18-oxocortisol por debajo de 1,2 ng/dl. Resultados similares han sido reportados  en otros estudios. En general, las concentraciones plasmáticas de 18-oxocortisol son 8,5 veces mayores  en los pacientes con APA que en los pacientes con HAB. Por el contrario, los niveles de 18-hidrocortisol solamente son 1,25 veces mayores en los pacientes con APA que en los pacientes con HAB.  Por otra parte, un estudio reciente reporta que las concentraciones plasmáticas de 18-oxocortisol  son 21 veces mayores en pacientes con APA y mutación KCNJ5 en comparación con un grupo control de sujetos sin APA y sin mutación, mientras en los pacientes con APA pero con otra mutación, las concentraciones de 16-oxocortisol son 16 veces mayores. Aparentemente, las concentraciones plasmáticas de 18-oxocortisol son marcadores específicos  de APA con mutación KCNJ5.

   La causa molecular del HF tipo1 fue dilucidada a inicios de los años 90. Como resultado de un desigual “crossover” durante la meiosis, un gen quimérico con secuencias que codifican a la CYP11B2  es expresado en la zona fasciculada de las adrenales donde se co-localiza con CYP17A1 y cortisol, el cual sirve como sustrato  para la aldosterona sintetasa. La fuerte elevación  (8-20 veces) de 18-oxocortisol en estos pacientes fue confirmada por otros estudios y, en menor grado, esto también ocurrió con el 18-hidroxicortisol.

En conclusión, la excreción urinaria de esteroides híbridos aumenta en el aldosteronismo primario. En pacientes hipertensos jóvenes  con aldosteronismo primario, una fuerte elevación  de uno o ambos esteroides híbridos  puede indicar la presencia  de HF tipo 1. Los pacientes con aldosteronismo primario debido a un APA tienen mayores niveles plasmáticos esteroides híbridos, particularmente 18-oxocortisol, que los pacientes con HAB.

Fuente: Lenders JWM et al. (2018) 18-oxocortisol and 18-hydroxycortisol: is there clinical utility of these steroids? European Journal of Endocrinology 18: R1-R9.

Hormonas tiroideas y marronización de tejido adiposo

Las hormonas tiroideas (HT) son importantes moduladores fisiológicos  del metabolismo. La glándula tiroides toma el yodo de la dieta y lo incorpora en la tiroglobulina para producir las hormonas tiroxina (T4) y triyodotironina (T3). Aunque ambas hormonas son biológicamente activas, la T3 es considerada la forma funcionalmente dominante y se une a dos receptores nucleares (TRα y TRβ). Las HT tienen acceso a los tejidos blancos por acción de las proteínas de membrana: transportador monocarboxilato 8 (MCT8) y transportador de aniones orgánicos (OATP). El aporte local de HT es regulado a través de las desyodasas D1, D2 y D3. Las HT controlan varios aspectos del metabolismo de lípidos en los adipocitos blancos de ratones y humanos, desde la lipogénesis hasta la señal lipoproteína. En los adipocitos marones, las HT juegan un rol esencial en la termogénesis facultativa  a través de la proteína desacopladora 1 (UCP1) mitocondrial. Esto es activado a nivel de la región aumentadora del gen Ucp1, donde los TR forman un complejo heterodímero con el receptor de ácido retinoico  y se asocian con el coactivador gamma del receptor activado por proliferador de peroxisoma 1α (PGC-1α). Adicionalmente, los TR interactúan con la proteína de unión a los elementos de respuesta cíclica (CREB) y de una manera sinérgica regulan a la baja  la señal noradrenalina para incrementar la expresión de UCP1.  

   Los adipocitos son un tipo de célula altamente heterogéneo  con distintas características estructurales y funcionales. Los adipocitos blancos son uniloculares  y se especializan en almacenar  energía como triglicéridos. Por el contrario, los adipocitos marrones son multiloculares, con un alto contenido de mitocondrias y altos niveles de UCP1, lo cual los hace eficientes para disipar energía química en forma de calor. El tejido adiposo marrón (TAM) es ricamente inervado por nervios simpáticos y posee muchos vasos sanguíneos. Esto permite al TAM responder a los estímulos (el frío, por ejemplo), reclutar nervios simpáticos y generar calor localmente para distribuirlo a través de la circulación en otras partes del cuerpo. La disminución de TAM provoca intolerancia al frío, confirmando su rol en el mantenimiento de la temperatura corporal. Por el contrario, la expansión de TAM contrarresta el desarrollo de la obesidad por dieta rica en grasas. Por lo tanto, el TAM juega un rol esencial en la regulación de la temperatura corporal y el balance energético.

   En respuesta a la exposición crónica al frío, ocurre la marronización en varios depósitos de tejido adiposo blanco (TAB), lo cual provoca la formación de adipocitos beige. Estas células, como los adipocitos marrones, son multiloculares con moderado contenido mitocondrial y expresión inducible de UCP1. La capacidad termogénica del tejido adiposo beige (TABe) es alterada cuando el TAM se vuelve disfuncional. La disminución de TABe aumenta la susceptibilidad a la obesidad mientras la expansión de TABe protege contra la ganancia de peso. Por lo tanto, el TABe ejerce una fuerte influencia sobre el balance energético del cuerpo. Los adipocitos beige y marrones poseen diferentes perfiles de expresión de genes con el grupo de diferenciación 137 (CD137), la proteína transmembrana 26 (TMEM26) y el factor de transcripción  T-box 1 (TBX1) como marcadores específicos de los adipocitos beige  y el factor prematuro de célula B 3 (EBF3), el antígeno similar a epitelial V 1 (EVA1) y la proteína solamente F-box 31 (FBO319) como marcadores específicos de los adipocitos marrones.

   La acción local de las HT en el TAM durante la termogénesis  inducida por el frío fue descrita por primera vez en ratas. En este caso la función de los nervios simpáticos incrementa la actividad de la D2. Por otra parte, en los adipocitos marrones, la T3 generada a partir de la T4 circulante restaura los niveles de UCP1 en el hipotiroidismo sin afectar los niveles plasmáticos  de HT, lo cual corrobora la idea que las HT interactúan directamente con el TAM en el control de la termogénesis inducida por el frio.  Más aún, los ratones con disrupción de la señal TRβ presentan termogénesis adaptativa defectuosa y reducida expresión de UCP1 en el TAM. El rol de la acción central de las HT sobre la función del TAM se estableció a partir de los hallazgos en estudios con animales. Inicialmente se encontró en ratones que la D2 glial genera localmente T3 en el hipotálamo medial basal y tiene un rol importante en la hiperfagia inducida por el ayuno. Posteriormente, estudios en ratas revelaron que la administración intracerebroventricular (icv) de HT  incrementa la actividad de los nervios simpáticos y la expresión de UCP1 asociadas con la pérdida de peso. Más aún, los animales hipertiroideos con señal TR defectuosa en el hipotálamo ventromedial (HVM)  pierden menos peso que los animales con señal TR normal en el HVM. Estos hallazgos sugieren que las HT circulantes activan TR en el HVM para regular la función  del TAM  a través del sistema nervioso simpático.

   Las HT también regulan la marronización del TAB. Una investigación en ratas reveló el ácido triyodoacético (TRIAC), metabolito de la T3, en dosis bajas induce la expresión ectópica de  UCP1 en el TAB abdominal. El TRIAC tiene mayor afinidad por el TRβ1 que la T3 en varios tipos de células incluyendo adipocitos marrones. En este contexto, la administración crónica de GC-1, un agonista selectivo de TRβ, a ratones obesos induce una marcada marronización del TAB subcutáneo e incrementa la temperatura corporal  y el gasto de energía. En ratones ob/ob, la administración de GC-1 está asociada con una disminución en la función termogénica del TAB. Por lo tanto, los efectos metabólicos de GC-1 son completamente mediados por la marronización del TAB y no por el incremento de la función del TAB. En apoyo de esto, la desnervación del TAB no afecta la reducción, mediada por GC-1, en la adiposidad o el incremento en la temperatura corporal. Un efecto directo del GC-1 en la marronización del TAB es sugerido por la inducción de UCP1 en cultivos de adipocitos blancos.

   Las HT regulan la marronización del TAB a través de un mecanismo central. La infusión icv  de T3 incrementa el consumo de oxígeno y la temperatura corporal al tiempo que previene la ganancia de peso corporal en roedores. Esto está asociado con un incremento en la expresión de UCP1 en el TAB y marronización del TAM. Los efectos de la administración icv de T3 sobre el gasto de energía, la termogénesis y el peso corporal están ausentes en ratones con deficiencia de UCP1. Los estudios en ratones carentes  de  receptor hepático X (LXR)α  y  LXRβ proporcionaron información sobre la ruta central por la cual las HT causan la marronización del TAB. Está claro que LXRα y LXRβ en las neuronas TRH del núcleo periventricular (NPV) del hipotálamo tienen un rol inhibidor en la marronización del TAB. Los ratones con deficiencia de LXRα/LXRβ exhiben un incremento en la expresión de UCP1 en tejido adiposo subcutáneo asociado con un aumento de la expresión de TRH en el NPV, incremento de células TSH en la hipófisis anterior, hipertrofia de tirocitos e incremento en los niveles circulantes de T3.

   En humanos, hay datos conflictivos con relación al reclutamiento de TAB  durante el hipertiroidismo. Un estudio en una cohorte de pacientes con hipertiroidismo, la mayoría con enfermedad de Graves, reveló un incremento en la captación de glucosa por el TAM, en comparación con sujetos eutiroideos, asociado con un aumento en el gasto de energía, lo cual sugiere un incremento en la función del TAM. Otro estudio  con pacientes hipotiroideos por carcinoma tiroideo reporta un relativo incremento  en la captación de glucosa radioactiva en el TAM cuando los pacientes reciben  tratamiento supresor de HT y presentan hipotiroidismo leve. Por lo tanto, el hipertiroidismo subclínico/clínico puede ser asociado con un leve incremento en la actividad del TAM con relación al hipotiroidismo/eutiroidismo.  Datos recientes en humanos demuestran que la expresión de UCP1 en TAB se correlaciona con los niveles circulantes de T4 y los estudios en cultivos de células sugieren que las TH causan marronización.

   En conclusión, un blanco importante de las HT es la termogénesis del TAM, la cual puede ser estimulada directamente a través  de los TR expresados en los adipocitos marrones  e indirectamente a través  de TR expresados en neuronas hipotalámicas. El TAB adopta características del TAM en un proceso referido como marronización. Las HT inducen la marronización del TAB a través de mecanismos periféricos  y centrales. Los estudios en animales y humanos indican que las alteraciones  de HT están asociadas con cambios  en la termogénesis  del TAM y la marronización del TAB y por consiguiente influyen en la regulación de la temperatura del cuerpo y el peso corporal.

Fuente: Weiner J et al. (2017) Thyroid hormones and browning of adipose tissue. Molecular and Celular Endocrinology 458: 296-299.

Mecanismo de acción de kloto soluble

El gen kloto codifica una glucoproteína transmembrana tipo 1 llamada α-kloto (130 kDa) que contiene un dominio intracelular corto de 10 aminoácidos y un dominio extracelular (EC) que contiene dos regiones internas repetidas (KL1 y KL2), ambas de aproximadamente 450 aminoácidos y con secuencia homóloga a la familia 1 de las β-glucosidasas. La proteína α-kloto difiere de la familia 1 de glucosidasas en la ausencia de dos residuos de ácido glutámico en sus regiones KL1 y KL2 que son importantes para la actividad catalítica  de esta familia de enzimas. La α-kloto exhibe actividades sialidasa y β-glucoronidasa. Hasta ahora, se han identificado tres isoformas de la proteína α-kloto: (1) la forma transmembrana  de longitud completa (mKl), (2) una forma soluble [kloto soluble (sKl)], (3) una forma truncada secretada que es producida por “splicing” alternativo de mARN de kloto y consiste solamente de KL1. En el espacio extracelular, la forma truncada secretada  es mucho menos abundante que la sKl. La mKl está asociada con receptores de factor de crecimiento de fibroblastos (FGFR) para formar correceptores  de FGF23, una hormona fosfatúrica derivada del hueso. La sKl es producida cuando el dominio mKl cerca de la región transmembrana  es clivado proteolíticamente por las metaloproteinasas ADAM10 y ADAM17. Una vez liberada de la membrana celular, la sKl circulante ejerce sus efectos biológicos sobre órganos o tejidos distantes. En roedores y humanos, la proteína α-kloto es expresada abundantemente  en el riñón y el plexo coroideo del cerebro, y en menor extensión en glándula paratiroides, páncreas, órganos sexuales y glándula tiroides. La familia del gen kloto, además de α-kloto, incluye  dos miembros adicionales: β-kloto y γ-kloto. La proteína β-kloto  es expresada principalmente en hígado, tejido adiposo y páncreas, mientras γ-kloto  es expresada en riñón y piel. Las hormonas FGF19 y FGF23 requieren β-kloto como correceptor para unirse a su FGFR y activar rutas de señalización  que regulan la síntesis de ácidos biliares y el metabolismo energético.

   La unión del FGF23 a mKl-FGFR juega roles críticos en el metabolismo de vitamina D, calcio y fosfato. La restricción  de vitamina D o fosfato provoca retardo en el crecimiento  y muerte prematura  en ratones kloto^-/-, validando que la función de mKl como correceptor de FGF23 es crítica para el metabolismo  mineral, el metabolismo de vitamina D, el crecimiento y la supervivencia. Por el contrario, la función y el mecanismo  de acción de la sKl son menos claros. La α-kloto es expresada predominantemente en el riñón y el cerebro. Sin embargo, los ratones kloto^-/- exhiben defectos funcionales  en células que no expresan α-kloto, lo cual sugiere que la sKl circulante puede funcionar como una hormona que actúa a distancia. La sobre expresión del gen kloto extiende la duración de la  vida  en el ratón. Los efectos de la α-kloto han sido atribuidos a la inhibición de una señal similar a insulina, lo cual es un mecanismo conservado en la evolución para suprimir el envejecimiento. Los estudios in vitro  han demostrado que la sKl suprime la autofosforilación  de los receptores para insulina/IGF-1 y regula a la baja eventos de señalización que incluyen la fosforilación de tirosinas en las proteínas sustratos del receptor de insulina (IRS) y la asociación  de fosfoinositido 3-kinasa (PI3K) p85 con las proteínas IRS. La inhibición de la señal insulina/IGF-1/PI3K mediada por la sKl puede suprimir el envejecimiento a través de la inducción de resistencia al estrés oxidativo. La ruta insulina/FGF-1/PI3K está relacionada con el estrés oxidativo a través de los factores de transcripción FOXO que son blanco de la señal similar a insulina que regula el envejecimiento. La inhibición de la señal similar a insulina  resulta en la activación de FOXO y la regulación al alza de genes que codifican enzimas antioxidantes como la manganeso superóxido dismutasa  (MnSOD) mitocondrial, la cual es importante para remover especies reactivas de oxígeno (ROS) y reducir el estrés oxidativo. El FOXO nuclear se une al gen promotor de MnSOD e incrementa los niveles de la proteína MnSOD. La fosforilación/inactivación de FOXO inducida por la insulina está aumentada en los ratones kloto^-/-.

   La sKl, además de la ruta insulina/IGF-1, confiere efectos citoprotectores a través de otras rutas antioxidantes. El estrés oxidativo contribuye a la progresión de calcificaciones vasculares  a través de la inducción de apoptosis y senescencia en las células endoteliales vasculares. La sKl actúa como una hormona en los vasos sanguíneos donde continuamente es expuesta a las células endoteliales vasculares. Los efectos anti-apoptosis y anti-senescencia de la sKl  en células endoteliales pueden ser mediados por la ruta proteína quinasa activada por mitogenos (MAPK)/quinasa regulada por señal extracelular (ERK). La sKl también ejerce efectos antioxidantes induciendo la expresión de MnSOD  a través de la activación de la ruta cAMP/proteína quinasa A (PKA). Adicionalmente, el gen kloto atenúa la producción de superóxido inducida por angiotensina II, el daño oxidativo y la apoptosis en células de músculo liso vascular estimulando la supresión de la expresión de la proteína Nox2-NADH oxidasa mediada por cAMP/PKA. Estudios recientes indican que la α-kloto actúa como antioxidante en el hígado y el cerebro modulando la apoptosis sensible a ROS.

   Los niveles plasmáticos elevados de sKl están asociados con una disminución de la probabilidad de enfermedad cardiovascular (ECV) en humanos. La sKl puede ser un factor de riesgo para ECV de acuerdo con estudios que demuestran que la disfunción endotelial  se correlaciona inversamente con la expresión de α-kloto. La disfunción endotelial juega un rol en el desarrollo de ateroesclerosis  y se caracteriza por una disminución de la biodisponibilidad de óxido nítrico (NO), alteración de la vasorelajación dependiente de endotelio e incrementos en la permeabilidad endotelial, el estrés oxidativo y la expresión de moléculas de adhesión, pro-inflamatorias y factores trombóticos. La sKl puede ejercer efectos vasoprotectores en el endotelio y reducir la disfunción endotelial regulando la disponibilidad de NO. La producción de NO es regulada al alza por la sKl a través de la ruta cAMP/PKA, la cual contribuye a la activación de la sintetasa de óxido nítrico endotelial (eNOS). La sKl también previene la disfunción endotelial  manteniendo la integridad endotelial y protegiendo contra la permeabilidad celular. En las células endoteliales, el calcio regula numerosas funciones incluyendo proliferación, migración y apoptosis. Varios estudios reportan que la sKl se une al receptor transitorio potencial canónico 1 (TRPC1), canal permeable al calcio, y al receptor del factor de crecimiento endotelial vascular-2 (VEGFR2) para causar su co-internalización, lo cual regula el nivel de expresión de TRPC1 en la membrana plasmática.  Esto permite a la sKl regular la entrada de calcio estimulada por VEGF y la hiperactividad de proteasas dependientes de calcio en las células endoteliales, lo cual mantiene la integridad endotelial. Adicionalmente, la sKl puede mantener la integridad endotelial regulando la expresión de mediadores inflamatorios como moléculas de adhesión y NF-κB en las células endoteliales.

   Los genes supresores de tumor  regulan la proliferación celular e inhiben el desarrollo de tumor. Kloto puede ser supresor de tumor en múltiples procesos malignos incluyendo los cánceres de mama, cuello uterino, páncreas, estómago, colon, hígado, riñón, ovario y melanoma. En todos estos cánceres, la expresión de kloto es reducida en el tejido tumoral en comparación con el tejido normal. Las modificaciones epigenéticas como metilación de ADN y modificaciones de histona, a menudo juegan un rol importante en la regulación de la expresión de genes supresores de tumor. La metilación del promotor y la desacetilación de histonas son mecanismos epigenéticos silenciadores de la expresión de kloto en múltiples tipos de cánceres. Por otra parte, los microARN juegan un rol en la progresión del cáncer regulando la expresión de kloto. La reducción de la expresión de kloto en el tejido maligno sugiere que la α-kloto tiene efectos anti-cáncer. Los estudios en células cancerosas revelan que la sKl actúa como supresora de tumor inhibiendo múltiples rutas  de señalización incluyendo insulina/IGF-1, FGF, Wnt y factor de crecimiento transformante β1 (TGF-β1).

   La ruta de señalización insulina /IGF-1 juega un rol importante en la proliferación celular, la apoptosis y el cáncer. La insulina y el IGF-1 se unen a sus receptores y activan proteínas IRS, las cuales a su vez activan las rutas de señalización PI3K/Akt  o MAPK/ERK1/2 que juegan un rol en el desarrollo normal y el mantenimiento de los tejidos. La desrregulación de estas rutas puede provocar el desarrollo y progresión de un tumor. La α-kloto actúa como supresora de tumor inhibiendo la señal insulina/IGF-1 en cáncer de mama, pulmón, páncreas, estómago, hígado, colon y ovario. La sobre expresión de α-kloto  o el tratamiento con sKl inhiben los efectores IRS-1, Akt1 y ERK1/2 en células cancerosas. La actividad supresora de tumor de la α-kloto ha sido atribuida al dominio KL1. Los defectos en la regulación  de la ruta de señalización Wnt también causan cáncer. La señal Wnt se inicia cuando los ligando Wnt secretados activan receptores transmembrana  que promueven la translocación de β-catenina al núcleo donde induce la actividad de factores de transcripción como TGF y LEF. La activación de la transcripción de genes por la β-catenina provoca la síntesis de genes c-myc y ciclina D1 que causan crecimiento de células tumorales e invasividad tumoral. La sKl es un antagonista  de Wnt que se une a múltiples ligandos Wnt e inhibe la activación de la señal Wnt. La inhibición de la ruta de señalización Wnt por la sKl  reduce la proliferación, invasividad y viabilidad  de las células cancerosas.  La proteína α-kloto también actúa como supresora de tumor modulando la ruta de señalización FGF. La sobre expresión de α-kloto aumenta la fosforilación de ERK1/2 mediada por FGF básico y la activación de la ruta FGF en las células  cancerosas.

   El mecanismo de acción de la hormona sKl  es pobremente entendido en parte debido a que aún no se ha identificado su receptor de membrana. Estudios recientes han identificado los monosialogangliósidos  GM1 y GM3 presentes en las balsas lipídicas como receptores para sKl. La sKl altera la organización de lípidos en las balsas lipídicas. La sKl también regula a la baja la ruta de señalización PI3K/Akt disparada por factores de crecimiento  y la función del canal TRPC6 en las balsas lipídicas. La idea que la sKl se une específicamente a las balsas lipídicas ha sido apoyada por estudios que demuestran que la sKl interactúa selectivamente con el GM1 asociado a las balsas lípidicas.  Por otra parte, la unión  de FGF23 al FGFR y el co-receptor mKl inhibe la síntesis  de 1,25 (OH)₂-vitamina D (calcitriol). Adicionalmente, la sKl juega un rol importante en la homeostasis del calcio regulando al canal de calcio receptor transitorio potencial vanilloid tipo 5 (TRPV5) localizado en la superficie apical del túbulo contorneado distal que es responsable  de la reabsorción de calcio en el nefrón distal. La sKl incrementa directamente la reabsorción de calcio aumentando la abundancia de TRPV5 en la superficie  celular a través de una modificación de las cadenas N-glucán del TRPV5. En este caso, la sKl actúa como una sialidasa y remueve específicamente α2,6-ácidos siálicos terminales de las cadenas N-glucán del TRPV5. La remoción de los α2,6-ácidos siálicos terminales de las cadenas N-glucán expone residuos LacNac los cuales se unen a galectina-1 presente en la superficie celular. La unión de galectina-1 a TRPV5 previene la endocitosis  y provoca la acumulación del canal en la membrana celular. En general, la afinidad por la unión de galectina-1 es aumentada por la estructura polimérica de LacNac en las cadenas N-glucán. El canal TRPV5 funcional tiene una estoiquiometría tetramérica que incrementa el número de N-glucán,  LacNac poliméricas y la afinidad de TRPV5 por galectina-1. La sKl también regula otros canales y transportadores iónicos en el riñón modificando sus cadenas N-glucán. Por ejemplo, la sKl incrementa la abundancia en la membrana celular del canal de potasio de la médula externa renal 1 (ROMK1) a través de la remoción  de α2,6-ácido siálico de las cadenas N-glucán del canal.

   La hipertrofia cardiaca en pacientes con enfermedad renal crónica (ERC) está asociada con un incremento en el riesgo de mortalidad. Los niveles de sKl disminuyen durante la ERC, lo cual sugiere que es un biomarcador  para diagnóstico de ERC. Los estudios han demostrado que la deficiencia de sKl puede ser un importante factor de riesgo para la hipertrofia cardiaca asociada a ERC independientemente de los efectos de la hiperfosfatemia y el FGF23. Una ruta reguladora en el desarrollo de la hipertrofia cardiaca involucra la activación mediada por calcio de la calcineurina, la cual desfosforila al factor nuclear  de células T activadas (NFAT) y causa su translocación al núcleo donde activa genes involucrados en el crecimiento cardiaco hipertrófico. La entrada de calcio a través de canales TRPC está involucrada en la señal calcineurina y la hipertrofia cardiaca. El TRPC6 contiene elementos de respuesta NFAT en su promotor, lo cual ayuda a amplificar la expresión de los genes involucrados en la hipertrofia cardiaca.  La sKl regula a la baja al TRPC6 en el corazón.

   En conclusión, la sKl está presente en sangre, orina y líquido cerebroespinal donde lleva a cabo múltiples funciones incluyendo la regulación de canales y transportadores iónicos, y la señal de factores de crecimiento. En el cuerpo, los riñones son una fuente importante de sKl y sus niveles disminuyen en la ERC. La deficiencia de sKl hace al corazón susceptible al crecimiento hipertrófico.

Fuente: Dalton GD et al. (2017) New insights into the mechanism of  action of soluble klotho. Frontiers in Endocrinology  8: 323.